基于OPC技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的設(shè)計與應(yīng)用研究

1、OPC技術(shù)簡介

1.1 什么是OPC

OPC（OLE for Process Control），即用于過程控制的對象鏈接與嵌入技術(shù)，是一種規(guī)范，是在工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中使用的硬件和軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)。OPC以組件對象模型和分布式組件對象模型（COM/DCOM）技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶/服務(wù)器（Client/Server）的模式，定義了一組COM對象及其接口標(biāo)準(zhǔn)。

OPC規(guī)范是由世界范圍內(nèi)自動化領(lǐng)域中處于領(lǐng)導(dǎo)地位的硬件和軟件開發(fā)商，在微軟的協(xié)作下制定的，并且已經(jīng)得到越來越多的客戶和硬件制造商的認(rèn)可。

1.2 OPC的意義

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，針對同一個硬件設(shè)備，每個應(yīng)用軟件都要根據(jù)自己的需求開發(fā)一套硬件驅(qū)動程序。這不僅加大了開發(fā)和維護(hù)費用，而且?guī)砹嗽L問沖突問題。

OPC技術(shù)將各個硬件設(shè)備驅(qū)動程序和通訊程序封裝成獨立的OPC服務(wù)器，上層應(yīng)用軟件（作為OPC客戶端）可以不關(guān)心硬件的性能特點，而通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口訪問OPC服務(wù)器。

這樣不僅解決了上述問題，而且實現(xiàn)了軟件的“即插即用”。OPC相當(dāng)于一塊軟件“主板”，它能夠直接與現(xiàn)場的PLC、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集和Windows CE設(shè)備連接，快速有效地獲取現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)。PC機(jī)內(nèi)的各種監(jiān)視、控制和管理等應(yīng)用軟件則像是插在OPC主板上的軟件“芯片”，芯片可以通過OPC獲得現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，芯片之間也可以按照OPC協(xié)議進(jìn)行通訊，從而實現(xiàn)軟件的“即插即用”。

1.3 OPC對象與接口

OPC的核心是COM/DCOM技術(shù)。在COM模型中，軟件的功能被分解為一些組件，這些組件通過COM協(xié)議在一定條件下連接起來，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。COM對象分為客戶端和服務(wù)器兩類，客戶端通過COM接口訪問服務(wù)器［2］。

OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范描述了OPC服務(wù)器需要實現(xiàn)的COM對象及其接口，它定義了定制接口（custom interface）和自動化接口（automation interface）［1］。OPC客戶程序通過接口與服務(wù)器通訊，間接讀取數(shù)據(jù)。OPC服務(wù)器必須實現(xiàn)定制接口，也可以有選擇地實現(xiàn)自動化接口。一般來說，自動化接口能為VB等高級語言客戶程序提供極大的便利，但數(shù)據(jù)傳輸效率較低;而定制接口則為用C/C++語言編寫的程序帶來靈活高效的調(diào)用手段。

OPC客戶程序訪問服務(wù)器時，創(chuàng)建一個服務(wù)器對象（這里指的是邏輯對象，目的是利用這個邏輯對象建立與實際服務(wù)器的連接），調(diào)用這個服務(wù)器對象的接口，服務(wù)器對象創(chuàng)建組對象并返回組對象的指針，客戶程序獲得組對象的指針后調(diào)用其接口。

注意，OPC項并不是OPC客戶直接操作的對象，因為OPC項沒有定義外部接口，對象的所有操作都是通過包容該項的組對象進(jìn)行的。

2、OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計步驟

2.1 OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的結(jié)構(gòu)

圖 1 OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的結(jié)構(gòu)

本文實現(xiàn)的OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器具有數(shù)據(jù)采集的功能，提供符合OPC規(guī)范的定制接口。主要由OPC 服務(wù)器對象、OPC 組對象、OPC 項對象和針對CAN（Controller Area Network控制器局域網(wǎng)）通訊卡編寫的I/O 動態(tài)鏈接庫（DLL）組成，采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。

OPC 服務(wù)器對象是客戶端與服務(wù)器交互的首要對象。客戶端通過訪問服務(wù)器對象的接口函數(shù)與之進(jìn)行交互。一個服務(wù)器對象里可以設(shè)置一個以上的組對象。OPC 服務(wù)器對象的主要功能是：①創(chuàng)建和管理OPC 組對象;②管理服務(wù)器內(nèi)部的狀態(tài)信息;③將服務(wù)器的錯誤代碼翻譯成描述性語句;④瀏覽服務(wù)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)。

OPC 組對象用于組織管理服務(wù)器內(nèi)部的實時數(shù)據(jù)信息，它是OPC 項對象的集合。正因為有了組對象，OPC應(yīng)用程序就可以成批地對所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，也可以以組為單位啟動或停止數(shù)據(jù)訪問。其主要功能是：①管理組對象內(nèi)部的狀態(tài)信息;②創(chuàng)建和管理項對象;③OPC服務(wù)器內(nèi)部的實時數(shù)據(jù)存取服務(wù)（同步或異步方式）。

OPC 服務(wù)器對象和組對象支持的接口由OPC規(guī)范定義，但并未規(guī)定具體如何實現(xiàn)，需要開發(fā)人員自己完成。

OPC項則與現(xiàn)場設(shè)備中的模塊相對應(yīng)，它包含數(shù)據(jù)項的值（value）、品質(zhì)（quality）和時間戳（time stamp）。

I/O DLL是針對具體硬件設(shè)備開發(fā)的驅(qū)動程序，實現(xiàn)從現(xiàn)場設(shè)備讀取數(shù)據(jù)的功能。

2.2 實現(xiàn)OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的主要步驟：

2.2.1 獲得并注冊O(shè)PC標(biāo)準(zhǔn)組件

根據(jù)COM規(guī)范，COM服務(wù)器可分為進(jìn)程內(nèi)服務(wù)器、本地服務(wù)器和遠(yuǎn)程服務(wù)器。后兩種服務(wù)器與客戶程序運行在不同的進(jìn)程空間，屬于進(jìn)程外服務(wù)器。為了實現(xiàn)進(jìn)程間通訊，需要用到代理/存根模塊。代理/存根模塊由接口描述語言（IDL）直接生成。OPC基金會為每種OPC服務(wù)器提供了相應(yīng)的代理/存根動態(tài)鏈接庫，這些文件可以在OPC基金會的網(wǎng)站（www.opcfoundation.org）上免費下載。

注意，設(shè)計OPC服務(wù)器時可以在OPC對象上增加接口以滿足特定的要求，但不能修改標(biāo)準(zhǔn)的OPC IDL文件或相應(yīng)的 proxy/stub DLL。新增的接口描述應(yīng)定義在獨立的IDL文件中，并由該文件生成獨立的代理/存根模塊來完成接口的調(diào)用工作。

組件的注冊將在后面介紹。

2.2.2 編寫OPC服務(wù)器代碼

首先定義0PC數(shù)據(jù)服務(wù)器的名稱（ProgID）和類標(biāo)識（CLSID），實現(xiàn)COM庫的初始化功能和0PC數(shù)據(jù)服務(wù)器類廠對象的接口功能。然后實現(xiàn)OPC對象和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。接下來針對具體硬件編寫I/O DLL，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時讀取。這項工作是十分繁重的，要求開發(fā)人員具有良好的COM編程知識，具體過程限于篇幅不能詳述，這里指出兩點引起注意：

⑴全局唯一標(biāo)識符（GUID）

GUID是為每個COM對象提供的十六字節(jié)標(biāo)識數(shù)。COM類至少有兩個GUID：類標(biāo)識（CLSID）和接口標(biāo)識（IID）。CLSID用于標(biāo)識COM類，登記在Windows注冊表中，包含指向包括COM類的DLL或EXE組件的路徑。IID用于標(biāo)識該類的接口，被應(yīng)用程序用來查詢和觸發(fā)該類的方法，也登記在注冊表中。由于對象類是由GUID標(biāo)識的，所以必須保證它們的唯一性，才能使最終用戶在使用由不同軟件商開發(fā)的組件時不會發(fā)生沖突。

可以使用宏DEFINE_GUID （name ， long ， word ， word ， word ， byte1 ， … ，byte8 ）

其中 name 是標(biāo)識數(shù)的名字，其余參數(shù)是實際的ID碼。類標(biāo)識的命名慣例是CLSID_ClassName ，而接口ID的命名慣例是IID_InterfaceName。

有兩種途徑來獲得GUID：

①Microsoft Visual C++提供了兩個工具來產(chǎn)生GUID：UUIDGen.exe和GUIDGen.exe（大小寫沒有影響）。前者是一個命令行程序，直接產(chǎn)生一個GUID;后者是一個基于對話框的應(yīng)用程序，運行UUIDGen.exe，產(chǎn)生一個Create GUID對話框。它提供四種格式，選定之后，按New GUID鍵產(chǎn)生新的GUID，顯示在Result欄中;按Copy鍵可以復(fù)制產(chǎn)生的結(jié)果。

②利用COM庫提供的API函數(shù)來產(chǎn)生GUID：

HRESULT CoCreateGuid （GUID ＊pguid ）

如果創(chuàng)建GUID成功，則函數(shù)返回S_OK，并且pguid將指向所得到的GUID值。

⑵OPC組件的注冊

注冊表是客戶和組件程序共同訪問的信息倉庫，通常情況下，當(dāng)組件程序被安裝到計算機(jī)上之后，必須通過某種途徑把它的信息注冊到注冊表中，然后客戶程序才能根據(jù)注冊表中的信息對組件程序進(jìn)行操作。

根據(jù)COM規(guī)范，組件程序可分為自注冊組件程序和非自注冊組件程序。OPC基金會提供的組件都是自注冊組件。對于非自注冊組件程序，其注冊過程與組件程序沒有直接關(guān)系，必須單獨進(jìn)行注冊信息的配置，比如，可以編寫一個注冊表文件，然后在RegEdit中引入。

對于DLL形式的進(jìn)程內(nèi)自注冊組件，Windows系統(tǒng)提供了RegSvr32.exe注冊工具進(jìn)行組件注冊和注銷。組件程序本身必須包含DllRegisterServer和DllUnregisterServer兩個注冊表入口函數(shù)。注冊和注銷的格式分別為：

RegSvr32 《系統(tǒng)路徑》

RegSvr32 /u 《系統(tǒng)路徑》

對于EXE形式的進(jìn)程外自注冊組件，COM規(guī)范規(guī)定，必須支持兩個命令行參數(shù)/RegServer和/UnregServer（大小寫無關(guān)，并且“/”可以用“-”代替），以便完成注冊和注銷操作。注冊和注銷的格式分別為：

《系統(tǒng)路徑》 /RegServer

《系統(tǒng)路徑》 /UnregServer

2.2.3 測試OPC服務(wù)器

OPC服務(wù)器經(jīng)過調(diào)試之后，還需要利用OPC客戶程序?qū)λ闹饕δ苓M(jìn)行測試。

3、OPC技術(shù)在CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文開發(fā)的OPC服務(wù)器是針對華控公司的CAN通訊卡編寫的，用于從華控的CAN通訊卡和RSM智能模塊組成的現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)中讀取信息。

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由上位機(jī)， CAN通訊卡，OPC 客戶端，OPC服務(wù)器，RSM智能模塊，通訊媒體等組成。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成

①上位機(jī)的軟、硬件配置： Microsoft Windows 98/2000 或Windows NT操作系統(tǒng);32M以上內(nèi)存、1G以上可用硬盤空間、SVGA顯示卡。

②CAN通訊卡選用華控公司的HK-CAN30B，它是一種將CAN通訊協(xié)議與PC機(jī)PCI總線標(biāo)準(zhǔn)相連接的非智能CAN插卡，通過該卡可對工業(yè)現(xiàn)場具有CAN通訊接口的儀表和控制設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

③CAN現(xiàn)場設(shè)備選用華控的RSM智能模塊，每個模塊都是在一個嵌入式實時多任務(wù)的內(nèi)核管理下周期性工作，按組態(tài)要求定時地向上發(fā)送和取得數(shù)據(jù)。

④通訊媒體可以選用雙絞線、帶屏蔽雙絞線等。

⑤客戶端選用力控公司的力控2.6監(jiān)控組態(tài)軟件。力控2.6支持OPC技術(shù)。它作為OPC客戶端，充分利用了OPC服務(wù)器的強(qiáng)大性能，為工程人員提供了方便高效的數(shù)據(jù)訪問能力。在力控中可以同時掛接任意多個OPC服務(wù)器，每個OPC服務(wù)器都可以當(dāng)作一個外部設(shè)備進(jìn)行定義、增加或刪除。

3.2 OPC 服務(wù)器與客戶端的連接

3.2.1 定義OPC設(shè)備

首先在力控導(dǎo)航器窗口中選擇“實時數(shù)據(jù)庫”中的 “I/O設(shè)備驅(qū)動”并展開，出現(xiàn)“OPC”設(shè)備。雙擊“OPC（Client）”，出現(xiàn)I/O設(shè)備定義對話框。在“設(shè)備名稱”中定義邏輯設(shè)備的名稱（由用戶隨意定義），不妨定義為“OPC”，在“數(shù)據(jù)更新周期”中指定采集周期，填寫故障后恢復(fù)查詢的周期和最長時間，然后單擊“下一步”，出現(xiàn)OPC設(shè)備定義對話框。

力控會自動搜索計算機(jī)系統(tǒng)中已經(jīng)安裝的所有OPC服務(wù)器。如果OPC服務(wù)器編寫無誤并且注冊正確，則點擊下拉框“OPC 服務(wù)器”時會列出已經(jīng)安裝的所有OPC服務(wù)器的名稱，選擇要使用的OPC服務(wù)器，這里選擇本文設(shè)計的服務(wù)器“OPC.Server.1”。

選擇“Server類型”，是“當(dāng)?shù)兀╨ocal）”還是“遠(yuǎn)程（remote）”。在“數(shù)據(jù)訪問方式”中選擇“緩沖區(qū)”或“外設(shè)”方式，對于“緩沖區(qū)”方式，OPC客戶程序?qū)⑼ㄟ^OPC服務(wù)器的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù);對于“外設(shè)”方式，OPC客戶程序?qū)⑼ㄟ^OPC服務(wù)器直接從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。從設(shè)備直接讀取數(shù)據(jù)速度會慢一些，一般只有在故障診斷或極特殊的情況下才會使用。在“死區(qū)百分比”中輸入一個百分值，表示過程數(shù)據(jù)值的變化不超出這個比例將不對其進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。單擊“確定”就完成了OPC設(shè)備的定義。

3.2.2 對OPC數(shù)據(jù)項進(jìn)行數(shù)據(jù)連接

啟動力控的數(shù)據(jù)庫組態(tài)程序DBMan。首先在點組態(tài)中創(chuàng)建所要用的變量，不妨設(shè)為gg1。展開“數(shù)據(jù)連接”項，已經(jīng)建立的OPC設(shè)備就排列在其中。雙擊我們剛才建立的OPC設(shè)備 “OPC”，則出現(xiàn)“數(shù)據(jù)連接”對話框。選擇要連接的點參數(shù)gg1后，單擊“增加”按鈕，出現(xiàn)“數(shù)據(jù)項組態(tài)”對話框。

如果OPC服務(wù)器支持“瀏覽”功能，雙擊右上側(cè)列表框中的“Root”，列表框會自動列出它提供的數(shù)據(jù)區(qū);如果OPC服務(wù)器不支持“瀏覽”功能，其數(shù)據(jù)項的描述需要用戶根據(jù)OPC服務(wù)器的資料說明，在“數(shù)據(jù)項”輸入框內(nèi)手工填寫。選擇“數(shù)據(jù)類型”和“讀寫權(quán)限”，在“訪問路徑”中輸入數(shù)據(jù)的訪問路徑（這一項不是必需的，需要填寫的，可以參考所使用的OPC服務(wù)器的手冊），這里不用填寫。

最后單擊“確定”按鈕，就生成了一個數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)連接，如圖3所示，從而實現(xiàn)了與現(xiàn)場實際信息的連接。

圖3 力控數(shù)據(jù)連接結(jié)果

在系統(tǒng)運行時，力控和服務(wù)器建立連接，自動完成和OPC服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換。

4、 結(jié)束語

本文設(shè)計的OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器符合OPC規(guī)范，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時讀寫，具有實用價值?？傊?，有了OPC規(guī)范，控制系統(tǒng)軟件可以高效、穩(wěn)定地對硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存取， 系統(tǒng)應(yīng)用軟件之間也可以靈活地進(jìn)行信息交互，極大地提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性。

責(zé)任編輯：gt